天津水上公园水景湖富营养化特性及成因分析

孙力平，贾振睿，钟 远

(天津城建大学 a. 环境与市政工程学院；b. 天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384)

天津水上公园水景湖富营养化特性及成因分析

孙力平a,b，贾振睿a,b，钟 远a,b

(天津城建大学 a. 环境与市政工程学院；b. 天津市水质科学与技术重点实验室，天津 300384)

根据2013-03—2014-07的监测数据，采用综合营养状态指数法，对天津水上公园景观湖进行了富营养化评价．通过对氮、磷营养盐和叶绿素a含量，以及水体氮磷负荷的分析，结果表明：水景湖已经发生了富营养化，夏秋季较为严重；磷是水体富营养化的关键因子，氮、磷输入湖的负荷远高于输出负荷；底泥氮磷营养盐的释放以及水生植物治理氮磷措施不当是造成湖水富营养化的主要原因．

天津水上公园；叶绿素a；氮；磷；水生植物；富营养化

天津水上公园坐落在市区西南部，始建于1950年，总面积达164.57万m2，其中湖水面积89.26万m2，是天津最大的综合性水景公园，也是津门十景之一．公园以水取胜，主要有东湖、西湖、南湖三大湖九个岛．水上公园水体是天津市生态环境的重要组成部分，它不仅是人们休闲游览的场所，而且兼有水上运动(划船、游泳)、水产养殖、城市供水和调节城市气候等多种功能．但是近年来，水景湖发生了严重的富营养化，春季水草繁生，夏秋季节水体混浊[1]．为了探究其发生的原因，更好地维护这一片珍贵的水域，本文对水上公园水体进行了富营养化评价和富营养化成因分析．

1 研究方法

1.1 采样时间与采样点设置

针对水上公园水景湖的环境特点和研究目的，分别在湖东岸、中心和水生植物种植区设置了3个具有代表性的跟踪监测点，如图1所示．

用上、下底均有阀门的有机玻璃采水器采集水下0.5,m的亚表层水样，采集当日即送实验室进行各项指标的测定．从5—11月取水周期定为每周一次；3—5月和12月为每两周一次．

图1 采样点位置

1.2 监测项目和分析方法

监测项目包括水温(T)、总磷(TP)、磷酸盐(PO43--P)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、透明度(SD)、叶绿素a(Chl-a)和高锰酸盐指数(CODMn)．其中T采用WTW Multi 340i手持多参数检测仪测定，SD采用塞式盘法测定，TP采用GB11893—1989过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法，PO43--P采用钼锑抗分光光度法，TN采用GB11894—1989碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法，NH3-N采用GB7479—1987纳氏试剂分光光度法，Chl-a采用有机溶剂提取叶绿素中的色素，然后用分光光度计进行检测[2]，CODMn用GB11892—1989酸性法测定．根据降雨前后湖水水位的变化值和降雨量的差，结合湖水面积，求得输入地表径流的水量；再根据地表径流中氮、磷浓度的均值和入湖水量，求得地表径流中氮、磷的输入量；由水桶收集雨水的量和水桶的面积求得降雨量，再根据降雨量和雨水中氮、磷的浓度求得降入水体氮、磷的量[3]．

2 结果与分析

2.1 水上公园人工湖水体富营养化评价

选取Chl-a、TP、TN、SD、CODMn5项指标，计算各指标的营养状态指数．根据各项指标的营养状态指数，计算出综合营养状态指数(TLI)．再根据湖泊富营养化评价方法对人工湖富营养化水平进行评价[4]，如图2所示．

由图2可以看出：3个监测点位的TLI范围分别为48.17～62.54、47.97～64.18、49.70～63.20，且2013年和2014年变化规律基本一致，监测区域发生了相同程度的富营养化．除三个监测点位的2013-03、2014-04和监测点位1的2014-05为中营养状态，其他月份均为富营养状态，并且三个监测点位在6—11月期间富营养化较为严重．因此表明，水上公园水景湖已经发生了富营养化．

图2 综合营养状态指数变化

2.2 水上公园水景湖水质特征及水体富营养化成因分析

2.2.1 叶绿素a的空间分布与季节变化

叶绿素a含量是富营养化水体的重要指标，水体叶绿素a含量的高低能够直观地反映水体的富营养化程度[5]．水上公园水景湖叶绿素a从2013-03—2014-07的监测结果如图3所示．

图3 叶绿素a含量的变化曲线

由图3可知：三个监测区域叶绿素a含量基本保持在相同的水平；水景湖叶绿素a含量在2013年的平均值为58.25,μg/L，2013-03—07的平均值为25.17 μg/L，2014-03—07的平均值为23.61,μg/L；叶绿素a含量年变化范围为4.68～186.85,μg/L．湖区叶绿素a含量的变化存在明显的季节性特征，3—6月和12月含量较低，7—11月含量较高，在10月达到高峰；春天和夏初较低，盛夏和秋季形成高峰；年际间变化趋势一致，且在相同水平．

2.2.2 水温对叶绿素a含量的影响

监测数据显示叶绿素a均值和温度随时间的变化如图4所示．

图4 叶绿素a均值和温度随时间的变化曲线

由图4可以看出：温度的变化范围为2.6～29.9,℃，其中最低温度在12月，最高温度在6月；3—7月叶绿素a的含量随温度的升高而增加，7—12月温度下降明显，而叶绿素a在8—11月会维持在较高的水平，从11—12月急剧下降．这说明在一定条件下，藻华爆发会随温度的升高而增加，但是却相对滞后，不会同步[6]．究其原因，可能为前期温度的升高为藻类的生长提供了良好的条件，增强了细胞活性；并且8—11月大量磷营养盐的输入，为藻类提供了充足的营养物质，使其繁殖速度加快，达到了生长的对数期和稳定期，即使同期温度下降也不足以影响藻类的繁殖能力．

2.2.3 氮、磷营养盐的季节变化规律

氮、磷营养盐是水体发生富营养化必需的营养物质．TP和TN的监测数据如图5所示．

图5 TN和TP的变化情况

由图5可知：2013-03—2014-07间监测点位TP的变化范围为0.04～0.20,mg/L，均值为0.12,mg/L；TN变化范围为0.25～16.69,mg/L，均值为2.87,mg/L．磷酸盐的变化情况如图6所示．

图6 磷营养盐的变化情况

由图6可知，磷酸盐的变化范围为0.022～0.113,mg/L，均值为0.06,mg/L，其中8—11月达到高峰．氮营养盐的变化情况如图7所示．

图7 氮营养盐的变化情况

由图7可知：氨氮变化范围为0.031～1.99,mg/L，均值为0.076,mg/L；硝态氮变化范围为0～0.065 mg/L，均值为0.12,mg/L；总氮波动范围较大，7—9月含量较高；氨氮和硝态氮含量较低，季节变化范围较大．

一般认为，TN＞0.20,mg/L、TP＞0.02,mg/L即为富营养化水体，该水景湖TN、TP含量均高于一般标准10倍以上，这说明水上公园水景湖已经发生了较高程度的富营养化；氮营养盐以有机氮为主，而无机氮含量较少，因此从一定程度上说明水景湖水体富营养化是有机物的含量较多所致[7]；磷营养盐以磷酸盐为主，变化规律和总磷一致，说明造成水景湖水体富营养化的原因为磷酸盐含量的升高，并且可溶态的有机磷以及可被藻类吸收的颗粒态磷对藻化现象的发生也有一定程度的贡献．

盛夏季节温度较高，大量居民到公园避暑纳凉带入了大量的氮、磷营养废弃物，同期降雨较多，也造成降雨和地表径流直接进入湖水的氮磷营养物质较高；而且多年的降雨、径流以及废弃物等积累到湖中的氮磷营养物，在适宜的条件下会从底泥中向水体释放，尤其是在温度较高、水体扰动差、底泥呈厌氧状态时，更会加速底泥中磷的释放，这即是8—11月磷含量较高的原因[8]．大量的氮、磷营养盐为藻类繁殖提供了条件，加速了水体的富营养化．

2.2.4 氮、磷营养盐对叶绿素a含量的影响

叶绿素a和总磷的相关关系如图8所示．由图8对叶绿素a和TP做的pearson相关性分析，可以得出pearson的相关性为0.559，属于正相关关系，同时显著性(双侧)为0.000＜0.01，说明叶绿素a和TP呈极显著正相关关系．

图8 叶绿素a和TP的相关关系

叶绿素a和总氮的相关关系如图9所示．对叶绿素a和TN做pearson相关性分析，得出pearson的相关性为0.114，属于正相关关系，同时显著性(双侧)为0.438＞0.01，说明叶绿素a和TN无显著相关性．结合叶绿素a和TN、TP的关系，说明导致水上公园水景湖藻化现象发生的一个重要原因是磷营养盐的增加，水景湖富营养化的潜在限制性因子是磷而不是氮．

图9 叶绿素a和TN的相关关系

2.2.5 水上公园水景湖氮磷负荷分析

水上公园水景湖氮、磷营养物质的主要输入途径为降雨、暴雨径流、游人带入的废弃物、餐馆排污以及鱼塘排水等．监测时间段内，2013年直接降雨入湖的水量约为44.6万m3，2014年约为26.6万m3；雨水中所含氮、磷平均浓度分别达到了1.96,mg/L和0.092,mg/L．因此，2013和2014年通过降雨分别直接输入湖中的氮为874.16，589.75,kg，磷为41.03，26.20,kg；2013和2014年径流量分别为81,013，37,191,m3；地表径流直接输入湖水的氮、磷平均浓度为12.57,mg/L和8.73,mg/L．故2013和2014年通过地表径流分别输入湖中的氮为1,007.2，467.6,kg，磷为707.2，324.7,kg．

据调查，2013和2014年年均捞出湖面漂浮物约为480,m3，从而估计进入湖中的废物量为680,m3，经推算，输入氮、磷的量分别约为1,420，670,kg．园内餐馆污水排入水体的氮磷营养盐以及南湖养鱼排入东湖的氮磷营养盐也是很重要的氮磷来源：2013年共排放污水4,538,m3，所排污水中氮、磷的平均浓度约为25.31，52.63,mg/L，因此入湖氮、磷负荷分别约为114.9，238.8,kg；2014年排放污水1,970,m3，故排入水体的氮、磷量分别为49.9，103.7,kg；每年鱼塘排入湖中的水量约为21.8万t，因此每年由鱼塘直接进入水体的氮、磷量分别为658.7，100.11,kg．

氮磷的输出途径主要为雨季排水、向鱼塘补水以及捕鱼．2013年由湖中排水20.8万m3，排出氮量约280.3,kg，磷量约30.1,kg；2014年排水8.9万m3，排出氮量约128.2,kg，磷量约13.6,kg．根据查阅每年捕鱼情况记录，2013年由捕鱼输出的氮量100.3,kg，磷量16.7,kg；2014年的氮量47.4,kg，磷量7.6,kg．年均向鱼塘补水而从湖中输出的氮量280.5,kg，磷量15.2,kg[9]．2013-03—12和2014-03—07水景湖氮磷积累负荷见表1．

表1 水景湖氮、磷积累负荷

由表1可以看出，每年氮磷的输入量远大于输出量，大量的氮磷营养盐逐渐沉积滞留于底泥中，每年在适宜的条件下释放出来，即会造成水体的富营养化．据调查，每年水景湖底泥释放的TN、TP就占总氮磷负荷的16.7%和28.5%，仅水景湖底泥释放的氮磷营养盐就会造成水体富营养化[10]．

2.2.6 水上公园水生植物造成氮、磷二次污染

在水上公园，主要通过采用多种水生植物组合的人工生态系统治理湖泊富营养化．工程分为湖面深水区、浅水区和岸边湿地区，分别种植各种挺水植物、浮水植物、沉水植物和湿生植物[10-11]．水生植物吸收氮磷等营养物质净化水质：一方面通过光合作用提高水体溶解氧浓度，促进硝化作用，将氨氮转化为硝酸盐供植物吸收，以达到除氮的功效；另一方面是密集的水生植物根系起到了固定底泥的作用，从而抑制了底泥氮磷营养盐的释放．

但是，枯萎死亡的水生植物沉到湖底会逐渐地腐败分解，释放出体内所储存的氮、磷等营养物质[12-13]．所以，没有好的植物收割机制和底泥处理机制是造成水体富营养化的原因之一．适时对水生植物进行收割，可以有效去除水体和底泥中的氮、磷，还能促进植物的再生，维持植物对水体的持续净化作用，避免植物枯落物对水体产生二次污染[14]．大面积的水生植物枯萎死亡后，每年吸收湖泊的氮、磷重新回到水体，起到了富集作用，加剧了底泥营养盐的积累，由此加重了湖泊的富营养化．

3 结 论

(1)从水质监测情况来看，水上公园水景湖全年基本处于中营养和富营养状态，夏秋季节最为严重．

(2)水温为藻类的爆发提供了适宜的条件，磷营养盐是水景湖富营养化的限制性因子．

(3)氮、磷营养盐的输入量远大于输出量是造成水上公园湖泊富营养化的主要原因，水生植物死亡后富集的氮磷营养元素重新释放到底泥，致使底泥氮、磷含量逐年升高，并释放到水体．

(4)仅靠投放化学药剂不能持久维持湖泊的水质．建议对湖泊进水增加过滤等天然传统处理方法，结合生态治理措施，将会对水景湖水质起到良好的处理效果．

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Analysis on the Eutrophication Characteristics and Cause of Landscape Lake Water in Tianjin Aquatic Park

SUN Li-pinga,b，JIA Zhen-ruia,b，ZHONG Yuana,b
(a. School of Environmental and Municipal Engineering；b. Tianjin Key Laboratory of Aquatic Science and Technology，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China)

Based on the monitoring data of Aquatic Park Landscape Lake from March,2013 to July,2014,the level and cause of eutrophication were analyzed by the comprehensive trophic level index (TLI) method. According to the analysis of the nitrogen,phosphorus,chlorophyll-a content,and nitrogen and phosphorus load,the results show that landscape lake was in high level of eutrophication,and it was more severe during summer and fall. Phosphorus was the key factor of eutrophication. Nitrogen,phosphorus input load was much higher than the output load of the lake. Release of nitrogen and phosphorus from the sediments,and improper aquatic plant control countermeasure were the main cause of landscape lake eutrophication.

Tianjin Aquatic Park；chlorophyll-a；nitrogen；phosphorus；aquatic plant；eutrophication

X524

A

2095-719X(2015)02-0114-06

2014-10-25；

2014-12-01

国家科技重大专项水专项(2012ZX07308-002)；天津市自然科学基金重点项目(14JCZDJC41100)

孙力平（1958—），女，陕西西安人，天津城建大学教授．